(57)【要約】【課題】外部から共振周波数を入力する構成を採ると、サンプルばらつきや温度変化に対する共振周波数の変化に追従できないために、振幅が外部環境やサンプルばらつきによって大きく変わってしまう。【解決手段】ＭＥＭＳセンサ１０を駆動するに当たって、ＭＥＭＳセンサ１０の振動子の振動を検出部２０で検出し、この検出部２０が検出した信号をフィードバック回路３０で増幅してＭＥＭＳセンサ１０に駆動信号としてフィードバックすることにより、ＭＥＭＳセンサ１０を自励的に発振させる。【選択図】図３
2007114078.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に設けられた支持部と、前記支持部に一端が接続された弾性体と、前記基板の表面に対して浮遊した状態で前記弾性体の他端に支持され、前記基板に対して変位可能な振動子とを有するＭＥＭＳセンサの駆動装置であって、
前記振動子の振動を検出する検出手段と、
前記検出手段が検出した信号を増幅して前記ＭＥＭＳセンサに駆動信号として入力するフィードバック手段と
を備えたことを特徴とするＭＥＭＳセンサの駆動装置。
【請求項２】
前記フィードバック手段は、増幅した後の信号に含まれるノイズ成分を除去するノイズ除去手段と、前記ノイズ除去手段を経た信号に対して位相調整を行う位相調整手段とを有する
ことを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳセンサの駆動装置。
【請求項３】
前記フィードバック手段は、増幅した後の信号に対して振幅調整を行う振幅調整手段を有する
ことを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳセンサの駆動装置。
【請求項４】
前記フィードバック手段による駆動によって前記ＭＥＭＳセンサを自励発振させた状態で、前記検出手段が検出した信号を基に動作を開始するＰＬＬ回路を備え、
前記ＰＬＬ回路がロックしたときに、前記ＭＥＭＳセンサの駆動を前記フィードバック手段による駆動から前記ＰＬＬ回路による駆動に切り替える
ことを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳセンサの駆動装置。
【請求項５】
基板の表面に設けられた支持部と、前記支持部に一端が接続された弾性体と、前記基板の表面に対して浮遊した状態で前記弾性体の他端に支持され、前記基板に対して変位可能な振動子とを有するＭＥＭＳセンサの駆動方法であって、
前記振動子の振動を検出し、その検出した信号を増幅して前記ＭＥＭＳセンサに駆動信号として入力する
ことを特徴とするＭＥＭＳセンサの駆動方法。
【請求項６】
基板の表面に設けられた支持部と、前記支持部に一端が接続された弾性体と、前記基板の表面に対して浮遊した状態で前記弾性体の他端に支持され、前記基板に対して変位可能な振動子とを有するＭＥＭＳセンサと、
前記振動子の振動を検出し、その検出した信号を増幅して前記ＭＥＭＳセンサに駆動信号として入力する駆動手段と
を備えたことを特徴とするアクティブセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems;マイクロ電気機械システム)センサの駆動装置およびその駆動方法、並びにＭＥＭＳを用いたアクティブセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
角速度センサや加速度センサなどのようなアクティブセンサをＭＥＭＳを用いて構成する場合、振動子を何らかの力で駆動する必要があり、静電力やローレンツ力を用いた駆動が一般的には知られている。また、ＭＥＭＳ構造の共振周波数で振動させることにより、小さな力で大きな振幅を得ることができるために、所望の振動の共振周波数近辺で振動させることが多い。このとき、一般的には、外部から共振周波数を入力する構成が採られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】「マイクロマシニングによるジャイロスコープとその集積化に関する研究」姫路工業大学  ２０００年度博士論文  ｐ１２３−１２４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、外部から共振周波数を入力する構成を採ると、サンプルばらつきや温度変化に対する共振周波数の変化に追従できないために、振幅が外部環境やサンプルばらつきによって大きく変わってしまうという問題が起こる。
【０００５】
また、ＭＥＭＳは、バネの弾性限界近くでの駆動や、バネの円弧運動などにより、非線形領域で振動させることがしばしばあるが、ピーク付近で用いると外乱などの影響でジャンプ現象が起こり、共振周波数と振幅が変化し、想定どおりのゲインなどが得られなくなる。復帰させるためには、フリーラン（Ｆｒｅｅ−Ｒｕｎ）周波数の設定、周波数のスキャン方向やスキャン速度の明示など、細かな条件設定が必要となるために、駆動回路が複雑化していた。
【０００６】
このことについてより具体的に説明する。図９に示すように、硬性バネの場合は、スキャン方向が低周波→高周波時はＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ、スキャン方向が高周波→低周波時はＤ→Ｃ′→Ｂ′→Ａという具合に、周波数のスキャン方向によるヒステリシスを持つ。また、スキャン速度が遅いほどＢ点のピークが高周波、高ゲイン側に伸びる。なお、軟性バネの場合は、図Ａの特性が左右反転となる。
【０００７】
この状態で、ＶＣＯ（電圧制御発振器）を用いたＰＬＬ(Phase Locked Loop)回路によるピーク探索を行い、さらに高ゲインであるＢ点での共振を用いたい場合、
・スキャン方向の明示（硬性バネの場合、低周波→高周波）
・ＰＬＬ回路のループフィルタ時定数（スキャン速度）
・フリーラン周波数（挿引開始周波数）
・ロック位相の決定のための位相シフト量
等のそれぞれについて適切な設定が必要である。
【０００８】
そこで、本発明は、温度などの外部環境変化などに対する共振周波数のずれに対してもゲインをほとんど変化させない安定駆動を実現可能なＭＥＭＳセンサの駆動装置および駆動方法、並びにＭＥＭＳを用いたアクティブセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明では、基板の表面に設けられた支持部と、前記支持部に一端が接続された弾性体と、前記基板の表面に対して浮遊した状態で前記弾性体の他端に支持され、前記基板に対して変位可能な振動子とを有するＭＥＭＳセンサにおいて、前記振動子の振動を検出し、その検出した信号を増幅して前記ＭＥＭＳセンサに駆動信号として入力する駆動回路構成を採っている。この駆動回路はＭＥＭＳセンサと共に、角速度センサや加速度センサなどのようなアクティブセンサに用いられる。
【００１０】
上記構成のＭＥＭＳセンサまたは当該ＭＥＭＳセンサを用いたアクティブセンサにおいて、ＭＥＭＳセンサを駆動するに当たって、ＭＥＭＳセンサの振動子の振動を検出し、その検出した信号を増幅してＭＥＭＳセンサに駆動信号としてフィードバックすることで、ＭＥＭＳセンサを自励的に発振させることができる。そして、自励発振であることで、プロセスばらつきや温度などの外乱による共振周波数の変化に追従できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、温度などの外部環境変化などに対する共振周波数のずれに対してもゲインをほとんど変化させない安定駆動を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
［ＭＥＭＳセンサ］
先ず、本発明に係る駆動装置の駆動対象であるＭＥＭＳセンサの基本構造および動作原理について、図１および図２を用いて説明する。図１はＭＥＭＳセンサの基本構造を示す平面図、図２は図１におけるＡ−Ａ′線断面図である。なお、図２の断面図では、図１の平面図と縮尺を一致させていない。
【００１４】
図１および図２に示すように、ＭＥＭＳセンサ１０は、第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２とを並行に備えている。これら第１，第２振動子１０１−１，１０１−２は共に矩形の薄膜からなり、一例としてシリコン層で形成されている。第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２とは、互いに向かい合う側の角部が支持弾性体１０２−５，１０２−６によって連結されている。
【００１５】
第１振動子１０１−１は、第２振動子１０１−２とは反対側の角部分において支持弾性体１０２−１，１０２−２の一端側によって支持されている。支持弾性体１０２−１，１０２−２の他端側は、それぞれ支持部１０３−１，１０３−２に支持固定されている。また、第２振動子１０１−２は、第１振動子１０１−１とは反対側の角部分において支持弾性体１０２−３，１０２−４の一端側によって支持されている。支持弾性体１０２−３，１０２−４の他端側は、それぞれ支持部１０３−３，１０３−４に支持固定されている。
【００１６】
支持弾性体１０２−１〜１０２−４はそれぞれ例えば板バネであり、例えばシリコン層によって例えばＵ字形に形成されている。支持部１０３−１〜１０３−４は、それぞれ絶縁体１２２を介して第１基板１００に固定されている。したがって、第１振動子１０１−１および第２振動子１０１−２は、支持弾性体１０２−１，１０２−２，１０２−３，１０２−４のみによって支持され、第１基板１００に対して完全に浮動した状態に配置されている。
【００１７】
本例に係るＭＥＭＳセンサ１０においては、支持弾性体１０２−１〜１０２−４の電極形成面は、第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２の上面よりも第１基板１００側に低く形成されている。また、第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２の電極形成部は、第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２の上面の一部を掘り込んで形成された堀り込み部１１１−１，１１１−２に形成されている。
【００１８】
第１振動子１０１−１の堀り込み部１１１−１には、支持部１０２−１から支持弾性体１０２−１、第１振動子１０１−１の掘り込み部１１１−１、支持弾性体１０２−２を通って支持部１０３−２に至り、第１振動子１０１−１を電磁駆動させるための電極１０８−１が絶縁膜１０７を介して配設されている。
【００１９】
同様に、上記第２振動子１０１−２の堀り込み部１１１−２には、支持部１０２−３から支持弾性体１０２−３、第１振動子１０１−２の掘り込み部１１１−２、支持弾性体１０２−４を通って支持部１０３−４に至り、第２振動子１０１−２を電磁駆動させるための電極１０８−２が絶縁膜１０７を介して配設されている。
【００２０】
駆動電極１０８−１は、後述する磁性体１２４の磁力線と駆動電極１０８−１を流れる電流（電流は図面に対して垂直方向に流れる）とにより発生する力（ローレンツ力）の方向と、第１振動子１０１−１および駆動電極１０８−１からなる振動子系の重心とが一致する位置に配置されている。
【００２１】
同様に、上記駆動電極１０８−２は、磁性体１２４の磁力線と駆動電極１０８−２を流れる電流（電流は図面に対して垂直方向に流れる）とにより発生する力（ローレンツ力）の方向と、第１振動子１０１−２および駆動電極１０８−２からなる振動子系の重心とが一致する位置に配置されている。
【００２２】
また、第１，第２振動子１０１−１，１０１−２には、空気ダンピングを緩和するための貫通孔１０４が複数設けられている。この貫通孔１０４は、第１，第２振動子１０１−１，１０１−２の上方に設けられる第２基板２００との狭ギャップによるスクイーズ効果を低減させる作用を為す。したがって、第１，第２振動子１０１−１，１０１−２のバランスがとれるように均一に分布されるように形成されることが好ましい。この第２基板２００については次に説明する。
【００２３】
第１基板１００上には、フレーム部１２１を介して第２基板２００が形成されている。この第２基板２００は、例えばガラス基板からなる。また、第２基板２００の第１基板１００と対向する面の第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２に対向する位置には、対向電極（検出電極）２１０−１，２１０−２が形成されている。
【００２４】
また、第１基板１００下には、電磁駆動を為すための磁石１２４が配置されている。この磁石１２４により、第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２等の振動子系が電磁的に駆動される。この磁石１２４については、例えば、第１基板１００を掘り込んでその内部に磁石１２４を設置したり、第２基板２００の上部に設置したり、また第１基板１００と第２基板２００の両方に設置したりする構成を採ることも可能であり、いずれの場合も出力的な相違はあるものの、動作として同様の結果が得られる。
【００２５】
次に、上記構成のＭＥＭＳセンサ１０の動作原理について、当該ＭＥＭＳセンサ１０を角速度センサとして用いる場合を例に挙げて説明する。
【００２６】
上記構成のＭＥＭＳセンサ１０において、電極１０６−１にはある周期を持った電流が流れる。例えば、ある時点で電流Ｉ1 が電極１０６−１を電極パッド１０７−１から電極パッド１０７−２に向かって流れているとする。その際に、電極１０６−２に位相が１８０°ずれた電流Ｉ2 を流す。電流Ｉ1 ，Ｉ2 は周期性を持っているので、別の時点では、流れる方向が逆になることもある。電極１０６−１に電流が流れると、第１基板１００の下部に設けられた磁石１２４からの磁界により、ローレンツ力ＦL がＸ方向に発生する。
【００２７】
ローレンツ力ＦL は下記の（１）式で表され、配線に直交する方向にその力が誘起される。
ＦL ＝ＩＢＬ      ……（１）
ここで、Ｉは駆動電極となる電極１０６−１に流れる電流、Ｂは磁束密度、Ｌは電極１０６−１の長さである。
【００２８】
ロ−レンツ力ＦL は、流れる印加される電流Ｉ1 ，Ｉ2 と同じ周期性をもって第１，第２振動子１０１−１，１０１−２に印加される。第１振動子部１０１−１は、支持弾性体１０２−１および支持弾性体１０２−２に接続されている支持部１０３−１および支持部１０３−２を固定点とし、振幅運動を繰り返す。もう一方の第２振動子１０１−２は、支持弾性体１０２−３および支持弾性体１０２−４に接続されている支持部１０３−３および支持部１０３−４を固定点とし、位相ずれ（例えば、１８０°の位相ずれ）を持ちながら振幅運動を繰り返す。
【００２９】
その際、外部からＹ軸まわりに角速度Ωが与えられると、振動方向に直行した方向にコリオリ力ＦC が発生する。このコリオリ力ＦC は下記の（２）式で表される。
ＦC ＝２ｍｖΩ    ……（２）
ここで、ｍは振動子の質量、ｖは駆動方向の振動速度、Ωは外部から与えられる角速度である。
【００３０】
コリオリ力ＦC で発生した変位を大きく取るためには、質量ｍ、駆動変位Ｘｍ（Ｘｍは駆動方向の振動速度ｖの対応パラメター）を大きく取る必要がある。電磁駆動の場合、静電駆動で必要な櫛歯電極により変位を制限されることがないために、大きな変位を取ることが可能となる。
【００３１】
コリオリ力ＦC が発生すると、第１，第２振動子１０１−１，１０１−２がＺ軸方向に振動する。その際、第２基板２００側に設置された検出電極２１０−１と第１振動子１０１−１および検出電極２１０−２と第２振動子１０１−２との間に容量の変化が現れる。ここで、前述した電圧印加の周波数をコントロールすることにより、一方は第２基板２００に近づく方向に振動子が傾き、もう一方は遠ざかる方向に振動子が傾く。その容量差分を検出することで、印加される角速度を算出する。
【００３２】
角速度Ωが印加されたときには、検出電極２１０−１と第１振動子１０１−１および検出電極２１０−２と第２振動子１０１−２に発生する容量変化量が異なるが、並進加速度が印加された際には、発生する容量変化量は異ならないため、差分を取っても容量差が生じない。よって、角速度印加の時に発生する加速度成分を除去できる構造となっている。
【００３３】
また、ローレンツ力ＦL を発生させた際に、第２振動子１０１−２上に形成された電極２１０６−２には誘導起電力が発生する。この誘導起電力は、ローレンツ力ＦL と同じ周期を持って発生している。容量変化を読み取る際、検出電極２１０−１，２１０−２と第１、第２振動子１０１−１，１０１−２間に搬送波を乗せ、容量変化により発生した電流を増幅することにより実際の信号を取り出す。搬送波は同期検波により除去され、また駆動波に関しても誘導起電圧の周期成分で検波することにより、角速度に対応した直流信号を取り出すことができる。
【００３４】
［駆動装置］
続いて、上記構成のＭＥＭＳセンサ１０を駆動する駆動装置、即ち本発明に係るＭＥＭＳセンサの駆動装置について説明する。
【００３５】
（実施例１）
図３は、本発明の実施例１に係るＭＥＭＳセンサの駆動装置（以下、「ＭＥＭＳ駆動装置」と記す）の構成を示すブロック図である。
【００３６】
図３に示すように、本実施例１に係るＭＥＭＳ駆動装置は、ＭＥＭＳセンサ１０の振動子（図１、図２の第１、第２振動子１０１−１，１０１−２に相当）の振動を検出（モニタ）する検出部２０と、この検出部２０が検出した信号を増幅してＭＥＭＳセンサ１０に駆動信号として入力するフィードバック回路３０とを有する構成となっている。
【００３７】
検出部２０は、ＭＥＭＳセンサ１０の振動子の振動を、先述したように、電磁的に検出（モニタ）する。ただし、検出部２０の検出原理としては、電磁的な検出に限られるものではなく、静電的な検出や圧電的な検出などを用いることも可能であり、要は、ＭＥＭＳセンサ１０の振動子の振動を検出できるものであればその検出原理は問わない。
【００３８】
フィードバック回路３０は、アンプ３１、ノイズ除去回路３２、位相調整器３３および振幅調整器３４を有する構成となっている。このフィードバック回路３０には、検出部２０で検出された信号が直流カット用のコンデンサ３５を介して入力される。直流カット用のコンデンサ３５を通過することで、検出部２０でのモニタ信号に含まれる直流ノイズ成分が除去される。
【００３９】
フィードバック回路３０において、アンプ３１は、例えば、一端がコンデンサ３５に接続された抵抗Ｒ１１と、この抵抗Ｒ１１の他端に一方の入力端が接続されたオペアンプＯＰ１１と、このオペアンプアンプＯＰ１１の一方の入力端と出力端との間に接続された抵抗Ｒ１１とによって構成されている。そして、アンプ３１は、ＭＥＭＳセンサ１０での電気−機械変換２回分に相当するゲインを持ち、検出部２０で検出された信号のレベルを持ち上げる作用をなす。
【００４０】
ノイズ除去回路３２は、例えば、一端がアンプ３１の出力端（オペアンプＯＰ１１の出力端）に接続された抵抗Ｒ２１と、この抵抗Ｒ２１の他端に一端が接続されたコンデンサＣ２１と、このコンデンサＣ２１の他端に一方の入力端が接続されたオペアンプＯＰ２１と、このオペアンプＯＰ２１の一方の入力端と出力端との間に接続された抵抗Ｒ２２と、抵抗Ｒ２１の他端とオペアンプＯＰ２１の出力端との間に接続されたコンデンサＣ２２とによって構成されている。
【００４１】
このノイズ除去回路３２は、例えば、ＭＥＭＳセンサ１０の所望のモードの共振周波数付近、例えばＱ値＝１で、共振周波数±２０％を通過帯域とするバンドバスフィルタ（ＢＰＦ）であり、アンプ３１の出力信号の通過帯域を制限し、信号に含まれるノイズを除去することによってＳＮ比を上げ、飛び込みノイズなどの不要な周波数で発振するのを防止する。
【００４２】
位相調整器３３は、アンプ３１の出力信号がノイズ除去回路３２を通過した際に回った位相成分を含むノイズ除去回路３２の出力信号の位相を、ＭＥＭＳセンサ１０の駆動側とモニタ（検出）側の所望の動作モードに相当する位相に合わせ込む。
【００４３】
振幅調整器３４は、電流フィードバック系の振幅調整器であり、抵抗やＡＧＣ(Automatic Gain Control;自動利得制御)などで電流制限を行うことによって位相調整器３３の出力信号に対して正弦波の振幅調整を行う。振幅調整器３４の出力信号は、ＭＥＭＳセンサ１０の駆動側にその駆動信号として入力される。
【００４４】
上記構成のＭＥＭＳ駆動回路において、当該駆動回路の電源を入れると、ホワイトノイズ（単位周波数帯域（１Ｈｚ）に含まれる成分の強さが周波数に無関係に一定のノイズ）を増幅してＭＥＭＳセンサ１０にその駆動信号としてフィードバックすることで、当該ＭＥＭＳセンサ１０では所望の共振周波数で自励的な発振が始まる。
【００４５】
図４に、各部（Ａ）〜（Ｅ）の信号波形、即ちアンプ３１の入力信号（Ａ）の波形、アンプ３１の出力信号の波形、即ちノイズ除去回路３２の入力信号（Ｂ）の波形、ノイズ除去回路３２の出力信号の波形、即ち位相調整器３３の入力信号（Ｃ）の波形、位相調整器３３の出力信号の波形、即ち振幅調整器３４の入力信号の（Ｄ）波形、振幅調整器３４の出力信号の波形、即ち駆動信号（Ｅ）の波形をそれぞれ示す。
【００４６】
図４の波形図から明らかなように、検出部２０で検出された信号、即ちアンプ３１の入力信号（Ａ）のレベルは微弱なものであり、この微弱レベルの信号（Ａ）はアンプ３１で増幅される。このとき、アンプ３１の出力信号（Ｂ）の波形から明らかなように、信号（Ｓ）のレベルのみならず、ノイズ（Ｎ）のレベルも増幅されることになる。
【００４７】
このノイズを含むアンプ３１の出力信号（Ｂ）は、ノイズ除去回路３２を構成するバンドパスフィルタを通過することによってノイズが除去され、ＳＮ比の良い信号（Ｃ）として出力される。このとき、ノイズ除去回路３２を通過することで、その出力信号（Ｃ）は入力信号（Ｂ）に対して位相が多少ずれる（回る）。
【００４８】
アンプ３１の出力信号（Ｂ）がノイズ除去回路３２を通過した際に回った位相成分を含むノイズ除去回路３２の出力信号（Ｃ）の位相について、位相調整器３４での位相調整によってＭＥＭＳセンサ１０の駆動側とモニタ（検出）側の所望の動作モードに相当する位相に合わせ込む処理が行われる。位相調整後の信号（Ｄ）は振幅調整器３４で振幅調整される。そして、振幅調整後の信号（Ｄ）は、ＭＥＭＳセンサ１０の駆動信号としてその駆動側にフィードバックされる。
【００４９】
ここで、ＭＥＭＳセンサ１０の特性の一例を図５に示す。図５は、ＭＥＭＳセンサ１０の周波数−ゲイン特性（Ａ）および周波数−位相特性（Ｂ）をそれぞれ示している。ここでは、２つの周波数ｆ１，ｆ２でピークゲインを持つＭＥＭＳセンサ１０の場合を例に挙げている。
【００５０】
このようなＭＥＭＳセンサ１０を用いた場合において、アンプ３１の入力信号（Ａ）の位相に対して、位相調整器３３の出力信号（Ｄ）の位相が例えば１８０°進む、あるいは１８０°遅れるように位相調整器３４で位相調整を行うことにより、ＭＥＭＳセンサ１０の振動子が発振し、図５の周波数ｆ２を共振周波数とする動作モードでＭＥＭＳセンサ１０が自励的な発振を行う。
【００５１】
当然のことながら、位相調整器３３の出力信号（Ｄ）の位相が、アンプ３１の入力信号（Ａ）の位相に対して等しく（０°）なるように位相調整器３４で位相調整を行うことにより、ＭＥＭＳセンサ１０の振動子が発振し、図５の周波数ｆ１を共振周波数とする動作モードでＭＥＭＳセンサ１０が自励的な発振を行う。
【００５２】
上述したように、ＭＥＭＳセンサ１０を駆動するに当たって、ＭＥＭＳセンサ１０の振動子の振動を検出し、その検出した信号を増幅してＭＥＭＳセンサ１０の駆動側にその駆動信号としてフィードバックすることで、ＭＥＭＳセンサ１０を自励的に発振させることができるために、プロセスばらつきや温度などの外部環境変化などに対する共振周波数のずれに対してもゲインをほとんど変化させない安定駆動を実現できる。
【００５３】
特に、フィードバック回路３０を用いたフィードバックループ中に含まれる位相調整器３３による位相調整により、位相情報でＭＥＭＳセンサ１０の共振周波数にロックさせる構成を採っているために、プロセスばらつきや温度などの外乱による共振周波数の変化に追従し、Ｑ値がある程度高い系でもピーク外れによるゲインの変動を最小限に抑えることができる。しかも、複数のピークゲインを持つＭＥＭＳセンサの場合には、位相調整器３３による位相調整によって所望の共振周波数の動作モードを任意に設定できる。
【００５４】
また、バネの弾性限界近くでの駆動や、バネの円弧運動などにより、非線形領域で振動させる非線形駆動においても、位相情報でＭＥＭＳセンサ１０の共振周波数にロックさせるために、ジャンプ現象などの影響を受けずに、安定した駆動を実現できる。また、振幅調整器３４により、ＭＥＭＳセンサ１０の駆動信号の振幅を適宜調整することで、ＭＥＭＳセンサ１０の様々な電気−機械変換係数に対応できる。さらに、駆動側とモニタ側（検出側）の各信号の位相差を適切に設定することにより、所望の駆動モードでの駆動が可能となる。
【００５５】
上記実施例１においては、ノイズ除去回路３２としてバンドパスフィルタを用いるとしたが、必ずしもバンドパスフィルタである必要はなく、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタの単独、またはローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタの組み合わせとすることも可能である。
【００５６】
また、ノイズとなる周波数があらかじめわかるのであれば、ノッチフィルタを用いて特定の周波数成分を除去するようにしても構わない。さらに、ノイズ除去回路３２として必ずしもフィルタを用いる必要はなく、ノイズと逆位相の信号を作成し、インピーダンスマッチングを取った上でノイズに混入し、相殺させることによってノイズを除去する構成を採ることも可能である。
【００５７】
また、上記実施例１において、位相調整器３３については、通常、ゲイン１のオールパスフィルタを用いて構成することができる。ただし、プロセスばらつきなどでフィルタの位相回りが抑制できないときには、ノイズ除去回路３２に入力される前の信号と振幅調整器３４の出力信号との位相を比較し、当該位相が反転するようにフィードバックをかけることによって位相差を一定にする構成を採ることも可能である。
【００５８】
また、上記実施例１では、振幅調整器３４において、ＡＧＣを用いて正弦波の振幅調整を行うとしたが、これに限られるものではない。例えば、コンパレータやシュミット回路（コンパレータと正帰還によって電圧ヒステリシスを持たせたもの）などを用いて、位相調整器３３の出力信号を方形波としてから振幅調整を行うようにすることも可能である。
【００５９】
方形波の振幅調整では、フーリエ級数展開を用いれば、Ｆ，３Ｆ，５Ｆ，……（Ｆは共振周波数）の重ね合わせとなる。図４に示す共振波形を参照すれば、３倍波以降のゲインは１倍波に比べて無視できるほど小さいために、正弦波の振幅調整の場合と変わらない応答が得られる。正弦波と方形波の振幅を同等にすると、入力エネルギーは後者の方が４／π倍となるために、ＡＧＣの係数の変更もしくは振幅の調整が必要である。
【００６０】
（変形例）
なお、上記実施例１では、複数の振動子、例えば２つの振動子１０１−１，１０１−２を支持弾性体１０２−５，１０２−６で弱結合させた構成のＭＥＭＳセンサを駆動対象とした場合を例に挙げて説明したが、駆動対象としてはこれに限られるものではない。例えば、図６に示すように、単板の振動子を持つＭＥＭＳセンサでも、駆動側とモニタ側との位相差を実施例１の場合と１８０°ずらすことによって自励発振が可能である。この場合は、併進１軸に対する駆動モードは一つしかないために、駆動モードの選択はできない。
【００６１】
また、図７に示すように、光スイッチやシャッターなどのアクチュエータとして用いて好適なＭＥＭＳセンサを駆動対象とした場合にも、当該ＭＥＭＳセンサの振動子の振動を検出（モニタ）する検出部を設け、当該検出部で検出した信号を、例えばアンプ３１、フィルタ３２および位相調整器３３を含むフィードバック回路３０′を通してＭＥＭＳセンサの駆動側にその駆動信号として入力することにより、自励発振による発振駆動が可能である。
【００６２】
（実施例２）
図８は、本発明の実施例２に係るＭＥＭＳセンサの駆動装置の構成を示すブロック図であり、図中、図３と同等部分には同一符号を付して示している。
【００６３】
図８に示すように、本実施例２に係るＭＥＭＳ駆動装置は、実施例１に係るＭＥＭＳ駆動装置におけるフィードバック回路３０を用いた駆動系に加えて、ＰＬＬ回路４０を用いた駆動系を備えた構成となっている。ここで、フィードバック回路３０は、ＭＥＭＳセンサ１０の立ち上げ時に、当該ＭＥＭＳセンサ１０を自励発振させた状態にするために用いられる。
【００６４】
ＰＬＬ回路３０は、周知のように、ＶＣＯ(voltage controlled oscillator;電圧制御発振器)、位相比較器およびループフィルタなどを有する構成となっており、フィードバック回路３０による駆動によってＭＥＭＳセンサ１０を自励発振させた状態で、検出部２０が検出した信号を基に動作を開始する。
【００６５】
具体的には、ＰＬＬ回路３０は、ＭＥＭＳセンサ１０が自励発振状態にあるときの例えば位相調整器３３の出力信号を入力として動作を開始し、ＭＥＭＳセンサ１０の共振周波数に対応した周波数の方形波信号を発生する。なお、ＭＥＭＳセンサ１０が自励発振状態にあるときにＰＬＬ回路４０に入力信号としては、位相調整器３３の出力信号に限られるものではなく、ノイズ除去回路３２の出力信号などであっても良い。
【００６６】
ＰＬＬ回路４０がロックすると、そのことがロック検出回路４１によって検出される。一方、ＭＥＭＳセンサ１０の駆動側の入力部には、切り替えスイッチ４２が設けられている。切り替えスイッチ４２は、フィードバック回路３０の出力信号とＰＬＬ回路４０の出力信号とを２入力とし、ＰＬＬ回路４０がロックするまではフィードバック回路３０の出力信号を選択した状態にあり、ロック検出回路４１がＰＬＬ回路４０のロックを検出したときその検出出力に応答してＰＬＬ回路４０の出力信号を選択してＭＥＭＳセンサ１０にその駆動信号として入力する。
【００６７】
このように、ＭＥＭＳセンサ１０を駆動するに当たって、先ずフィードバック回路３０による駆動によってＭＥＭＳセンサ１０を自励発振させ、この状態で検出部２０が検出した信号をＰＬＬ回路４０に入力して当該ＰＬＬ回路４０をロックさせるとともに、フィードバック回路３０による駆動からＰＬＬ回路４０による駆動（方形波駆動）に切り替えるようにすることで、フィードバック回路３０による駆動による実施例１の作用効果に加えて、ノイズ除去回路３２に除去しきれなかったノイズ成分やジッタ成分をＰＬＬ回路４０の時定数調整によって除去できるために、ノイズの少ない共振駆動を実現できる。
【００６８】
［適用例］
先述した構成のＭＥＭＳセンサ１０を含むＭＥＭＳセンサは、例えば、角速度センサ、角度センサもしくは角加速度センサ、あるいは、加速度センサ、速度センサ、変位センサもしくは加加速度センサなどのアクティブセンサ、より具体的にはコリオリ力を用いて変位を測定するジャイロスコープなどの参照振動が必要なセンサや、参照振動とキャリアを用いて感度の向上を図るセンサに用いられる。そして、上述した実施例１，２に係るＭＥＭＳ駆動装置は、これらアクティブセンサにおいて、ＭＥＭＳセンサと共にその駆動装置として用いて好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】ＭＥＭＳセンサの基本構造を示す平面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ′線断面図である。
【図３】本発明の実施例１に係るＭＥＭＳセンサの駆動装置の構成を示すブロック図である。
【図４】ＭＥＭＳ駆動回路における各部の信号波形を示す波形図である。
【図５】ＭＥＭＳセンサの周波数−ゲイン特性（Ａ）と周波数−位相特性（Ｂ）の一例を示す図である。
【図６】単板の振動子を持つＭＥＭＳセンサを駆動対象とする場合の駆動装置の構成を示すブロック図である。
【図７】アクチュエータとして用いられるＭＥＭＳセンサを駆動対象とする場合の駆動装置の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の実施例２に係るＭＥＭＳセンサの駆動装置の構成を示すブロック図である。
【図９】従来技術の課題の説明図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０…ＭＥＭＳセンサ、２０…検出部、３０，３０′…フィードバック回路、３１…アンプ、３２…ノイズ除去回路、３３…位相調整器、３４…振幅調整器、４０…ＰＬＬ回路、４１…ロック検出回路、４２…切り替えスイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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